(57)【要約】【課題】本発明は、セラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品を提供する。【解決手段】本構成部品（１０）は、正常エンジン作動時に予測高層間応力の領域（２０）を有する。本構成部品（１０）は、互いに予め選択した形態に配置された被覆繊維トウ（２）と非被覆繊維トウ（６）との両方を含み、非被覆繊維トウ（６）は、所定の予測高層間応力の領域（２０）に設置される。本発明はさらに、エンジン作動時に予測高層間応力の領域（２０）を有する複合材タービンエンジン構成部品（１０）のようなＣＭＣを製造する方法を含む。【選択図】      図３
2006189029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予測高層間応力の領域と予測低層間応力の領域とを含み、
複数のセラミック繊維トウと、
化学蒸着によって堆積された複数の層を含み、前記セラミック繊維トウの一部分に施されて、少なくとも前記予測低層間応力の領域内に設置された複数の被覆繊維トウを形成する皮膜と、
少なくとも前記予測高層間応力の領域内に設置された複数の非被覆トウと、
前記複数のセラミック繊維トウ間の間質領域内に位置するセラミックマトリックス材料と、をさらに含む、
セラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品。
【請求項２】
前記セラミックマトリックス材料が炭化ケイ素である、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品。
【請求項３】
前記皮膜が複数の層を含み、前記複数の層が、
ＢＮを含む層と、
前記ＢＮの層の上にあるＢ（Ｓｉ）Ｎを含む層と、
前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎの層の上にあるＳｉ３Ｎ４を含む層と、
前記Ｓｉ３Ｎ４の層の上にある炭素を含む層と、を含む、
請求項１記載のセラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品。
【請求項４】
前記ＢＮを含む層が約０．２５μｍ〜約０．７５μｍの厚さであり、前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層が約０．２５μｍ〜約０．７５μｍの厚さであり、前記Ｓｉ３Ｎ４を含む層が約０．７５μｍ〜約１．２５μｍの厚さであり、また前記炭素を含む層が約０．０５μｍ〜約３μｍの厚さである、請求項４記載の構成部品。
【請求項５】
前記ＢＮを含む層がＢＮから成り、前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層がＢ（Ｓｉ）Ｎから成り、また前記Ｓｉ３Ｎ４を含む層がＳｉ３Ｎ４から成る、請求項４記載の構成部品。
【請求項６】
前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層が、約５重量％のシリコン〜約４０重量％のシリコンを含む、請求項４記載の構成部品。
【請求項７】
前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層が、約５重量％のシリコン〜約２５重量％のシリコンを含む、請求項４記載の構成部品。
【請求項８】
前記Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層が、約１１重量％のシリコン〜約１９重量％のシリコンを含む、請求項４記載の構成部品。
【請求項９】
前記炭素を含む層が、熱分解炭素として堆積されている、請求項４の構成部品。
【請求項１０】
該構成部品が、容積で繊維が約３０％よりも少ない、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはセラミックマトリックスタービンエンジン構成部品に関し、より具体的にはセラミックマトリックス複合材内に被覆及び非被覆繊維の不連続領域を有する不均質材料系に関する。
【背景技術】
【０００２】
スラスト対重量比の増大、エミッションの低減及び燃料消費率の向上を得るようにガスタービンエンジンの効率及び性能を高めるために、エンジンタービンは、より高温で作動するようにされる。より高温が達成され、エンジンの高温セクション、特にエンジンのタービンセクションにおける構成部品を構成する材料の限界を超えるにつれて、新規な材料が開発されなければならなくなる。
【０００３】
エンジン作動温度が高くなるにつれて、燃焼器及びタービンブレードを構成する耐熱合金を冷却する新規な方法が開発されてきた。例えば、高温燃焼流出ガスのストリーム内の構成部品の表面に対してセラミック断熱皮膜（「ＴＢＣ」）を施工して、熱伝導率を低下させ、下にある金属に対して熱保護を与え、また構成部品がより高温に耐えるのを可能にするようになってきた。これらの改良が、最高温度及び温度勾配を低下させるのに役立った。さらに、冷却孔を導入して、熱的能力すなわち熱保護を向上させるフィルム冷却を行ってきた。同時に、耐熱合金に代わるものとして、セラミックマトリックス複合材が開発されてきた。多くの事例で、セラミックマトリックス複合材（「ＣＭＣ」）は、金属に優る向上した温度及び密度の利点をもたらし、より高い作動温度が望ましいときに、これらが最適の材料として選択されるようになった。
【０００４】
これ迄、多くの方法が、セラミックマトリックス複合材を用いて、例えばタービンブレードのようなタービンエンジン構成部品を製造するのに使用されてきた。しかしながら、このようなタービン構成部品は、正常作動条件の下で様々な程度の局所応力を受ける。タービンブレード構成部品のダブテールセクションでは、比較的高い引張応力領域が、ダブテールセクションの最外側部分内に生じる。理想的には、ＣＭＣ構成部品は、該構成部品が局所応力の領域内でより強度があるように設計されてきた。ＣＭＣ構成部品を製造する１つの方法は、参考文献として本明細書に組み入れられている、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されており、溶融シリコンで浸透処理した繊維状材料を含有した炭化ケイ素マトリックス複合材の製造に関するもので、この方法は本明細書ではＳｉｌｃｏｍｐ法と呼ぶ。この繊維は一般に、約１４０μｍ又はそれより大きい直径を有し、このことにより、タービンブレード構成部品のような入り組んだ複雑な形状をＳｉｌｃｏｍｐ法によって製造するのが妨げられる。
【０００５】
ＣＭＣタービンブレードを製造する別の方法は、スラリー鋳造溶浸（ＭＩ）法として知られている方法である。このようなスラリー鋳造ＭＩ法の技術的説明は、参考文献として本明細書に組み入れられている、特許文献４に詳細に記載されている。スラリー鋳造ＭＩ法を用いる１つの製造方法では、ＣＭＣは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）含有繊維を含み、ほぼ同数の繊維が両方の織り方向に延びている状態の互いにほぼ９０°の角度をなす２つの織り方向を有する平衡二次元（２Ｄ）ウーブンクロスのプライを初期に形成することによって製造される。「炭化ケイ素含有繊維」というのは、炭化ケイ素を含み、好ましくは実質的に炭化ケイ素である組成物を有する繊維を意味する。例えば、繊維は、炭素で囲まれた炭化ケイ素コアを有することができ、或いは逆に繊維は、炭化ケイ素によって囲まれるか又は炭化ケイ素で封入された炭素コアを有することができる。これらの実施例は、「炭化ケイ素含有繊維」という用語を実証するために示したものであり、この特定の組み合わせに限定されるものではない。それらが炭化ケイ素を含む限り、他の繊維組成物も考えられる。
【０００６】
この方法における大きな課題は、繊維皮膜である。一般的には、繊維は、スラリー鋳造及びシリコン溶浸処理のような従来型の方法により構成部品を高密度化する前に、窒化ホウ素（「ＢＮ」）で被覆して材料の強靭性を向上させる。得られた材料は、望ましい強靭性を備えるが、本来的な低層間強度特性を有することになる。例えば燃焼器ライナ、高圧タービン（「ＨＰＴ」）ベーン、低圧タービン（「ＬＰＴ」）ブレード及びシュラウドなどの多くの高温セクション用途においては、温度勾配及び機械的負荷により、大きな局所層間応力が生じる。低層間強度の結果として、材料内に割れが伝播するおそれがある。
【特許文献１】米国特許第５０１５５４０号
【特許文献２】米国特許第５３３０８５４号
【特許文献３】米国特許第５３３６３５０号
【特許文献４】米国特許第６２８０５５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要なのは、被覆及び非被覆繊維と関連した特性を利用したＣＭＣタービンエンジン構成部品の製造方法である。
【０００８】
製造法及び材料の改良は、多くの物品における性能の向上及びコストの低減の鍵である。実例として、プロセス及び材料の継続的かつしばしば相互に関連した改良により、本発明の改良のような航空機ガスタービンエンジンの性能における大きな向上が得られてきた。本発明は、被覆及び非被覆セラミック繊維の両方を用いて、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）で作られたタービンエンジン構成部品を製造する新規な方法である。本発明は、正常エンジン作動時における構成部品内の不連続高層間応力領域内部での高層間強度を有する構成部品を製造し、それによって構成部品の機能を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、セラミックマトリックス複合材タービンエンジン構成部品を提供し、本構成部品は、エンジン作動時に高層間応力の領域を有し、複数の一方向セラミック繊維トウと、一方向セラミック繊維トウの一部分に施された皮膜と、トウ間の間質領域内に位置するセラミックマトリックス材料とを含む。
【００１０】
本発明はまた、エンジン作動時に予測高層間応力の領域を有するタービンエンジン構成部品を製造する方法を提供し、本方法は、複数の非被覆セラミック繊維トウを準備する段階と、繊維トウの予め選択した部分を非被覆のまま残しながら、繊維トウの予め選択した部分に対して皮膜を施して複数の被覆繊維トウを形成する段階とを含む。皮膜を施す段階は、化学蒸着を使用する段階を含む。本方法はさらに、非被覆繊維トウが予測高層間応力の領域内に配置されるように、予め選択した配置で複数の繊維トウを組み合わせて構成部品プリフォームを形成する段階と、続いて炭素含有スラリーを用いて構成部品プリフォームを部分的に高密度化する段階とを含む。最後に、本方法は、少なくともシリコンで構成部品プリフォームをさらに高密度化して、バイアス構造を有するセラミックマトリックス複合材航空機エンジン構成部品を形成する段階を含む。
【００１１】
本発明はさらに、ハイブリッドプリフォームを製造する方法を提供し、本方法は、複数の非被覆セラミック繊維トウを準備する段階と、繊維トウの予め選択した部分を非被覆のまま残しながら、化学蒸着を用いて繊維トウの予め選択した部分を被覆して複数の被覆繊維トウを形成する段階と、続いて被覆繊維トウを非被覆繊維トウと織って又は組み合わせて複数のハイブリッドクロス又はレイアップを形成する段階と、予め選択した配置で複数のハイブリッドクロス又はレイアップを組み合わせて所望の形状を形成する段階とを含む。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、実施例として本発明の原理を示す添付の図面と共になされた以下の好ましい実施態様のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、ガスタービンエンジン構成部品用の複合材物品及びそのような物品を製造する方法に関する。この特許出願には、あたかも本明細書に完全に記載しているように、同一出願人の米国特許第５９５２１００号、特願２００５−２７９２６８号を参考文献として組み入れている。
【００１４】
図１は、例示的な航空機エンジンＬＰＴブレード１０を示す。この図では、タービンブレード１０は、セラミックマトリックス複合材材料を含む。タービンブレード１０は、それに対して高温排出ガス流が向けられる翼形部１２を含む。タービンブレード１０は、翼形部１２から下向きに延びかつタービンディスク上の類似の幾何学的形状のスロット（図示せず）に係合するダブテール１４によってタービンディスク（図示せず）に取付けられる。ダブテール１４は、翼形部１２及びダブテール１４の表面が凹面交差部を形成する線に沿って形成されたフィレット半径１６を含む。図１はまた、模擬作動環境内でブレード１０が受ける層間応力の異なる領域を示す。低応力領域１８は、ダブテール１４の中心部近くに示され、一方、高応力領域２０はフィレット半径１６近くに示されている。予測できるように、層間応力は、フィレット半径１６のような面移行部に隣接する領域内でより高いものとなる。他のダブテール形状では、高層間応力の領域２０は、ダブテールの中心部分内に見られる。図示したように、応力領域１８、２０は、ブレード１０を通してフィレット半径１６の全長に沿って延びる。
【００１５】
次に図２を参照すると、ブレード１０のような、従来技術のＣＭＣ航空機エンジン構成部品の断面図を示す。従来技術のＣＭＣ構成部品では、窒化ホウ素（ＢＮ）を含む組成物で被覆された均一被覆繊維トウ２を利用する。本明細書でさらに説明するように、ＢＮの存在により複合材の破壊強靱性が向上するが、同時に被覆繊維トウ２と間質セラミックマトリックス４との間に脆弱な結合界面が生じる。この脆弱な結合により、繊維２がマトリックス４から分離し、高層間応力の領域２０内において構成部品の減衰しない層間割れを引き起こすおそれがある。
【００１６】
次に図３を参照すると、ブレード１０のような、本発明の例示的なＣＭＣ航空機エンジン構成部品の断面図を示す。このＣＭＣ構成部品では、非被覆繊維トウ６と組み合わせた、窒化ホウ素（ＢＮ）を含む組成物で被覆された均一被覆繊維トウ２の不連続配置を利用する。この用途の目的において、「非被覆繊維トウ」というのは、窒化ホウ素（ＢＮ）を含まない、従って被覆を有しない繊維トウを含む繊維トウを意味すると共に、ＢＮを含まないサイジング又は他の被覆を有する繊維トウを意味する。図３に示したように、また本明細書でさらに説明するように、非被覆繊維トウ６を利用する利点は、硬化又は焼成したときに、非被覆繊維トウ６が、被覆繊維トウ２とマトリックス４との間に形成された比較的脆弱な結合に比較して、非被覆繊維トウ６と間質セラミックマトリックス４との間に比較的強力な結合を形成することである。非被覆繊維トウ６の存在と、関連する強力な結合の存在とにより、被覆繊維トウ２と組み合わせたときに、特に高層間応力の領域２０において割れ伝播を阻止するか又は減衰することが期待される。
【００１７】
次に図４を参照すると、ブレード１０の製作における好ましい段階を示す。段階２００では、分析を実行して比較的高層間応力の領域２０を特定する。この分析は、従来の方法で構成した試験片又はブレード１０に取付けた機器類、或いは有限要素解析のような方法を用いて異なる層間応力領域１８、２０を特定するコンピュータ・シミュレーションを含むことができる。
【００１８】
本発明の段階２１０は、複数の炭化ケイ素繊維トウを準備する段階である。このような炭化ケイ素繊維トウは、当技術分野では公知である。炭化ケイ素繊維トウに関しては、炭化ケイ素がコア又は基材を包む場合の材料又は炭化ケイ素がコア又は基材である場合の材料が含まれ、このような材料が繊維のバンドル又はトウに織られているかが含まれる。炭化ケイ素によって包むことができる他方のコア材料には、炭素及びタングステンを含むことができる。繊維トウを構成する繊維状材料は、非結晶性、結晶性又はそれらの混合物とすることができる。結晶性材料は、単結晶又は多結晶とすることができる。炭化ケイ素含有繊維状材料の実施例は、炭化ケイ素、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｃ−Ｂ及びＳｉ−Ｃ−Ｏ−金属であり、この場合、金属成分は様々なものとすることができるが、多くの場合チタン、ジルコニウム又はホウ素である。有機前駆体を用いて炭化ケイ素含有繊維を製造しかつ繊維内に多種多様の元素を導入することができる方法は当技術分野では公知である。これらの繊維の実施例には、日本国横浜市所在の日本カーボン株式会社の登録商標であるＮＩＣＡＬＯＮ（商標）、ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（商標）及びＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ  Ｓ（商標）繊維、日本国山口県宇部市所在の宇部興産株式会社の登録商標であるＴＹＲＡＮＮＯ（商標）繊維並びにミシガン州ミッドランド所在のＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標であるＳＹＬＲＡＭＩＣ（商標）繊維が含まれる。「繊維性材料」には、繊維、フィラメント、ストランド、バンドル、ウィスカ、クロス、フェルト及びそれらの組み合わせが含まれる。繊維は一般的に、連続しているが、寸断することもできる。
【００１９】
プロセスの次の段階２２０は、化学蒸着（ＣＶＤ）を用いて、連続的又は半連続的状態で繊維トウの予め選択した部分上に皮膜を堆積させる段階である。
【００２０】
トウ内の単一繊維を表す図５に示すように、被覆繊維４５上の皮膜は、４つの層５０、６０、７０、８０を含むのが好ましい。各層は、繊維状材料の少なくとも大部分を露出したまま残すことはなく、各繊維の全体を被覆するのが好ましい。皮膜の各層は、実質的に何らの大きい気孔のない状態にすべきであり、さらに実質的に気孔がなくかつ実質的に均一であるのが好ましい。皮膜全体もまた、実質的に何らの大きい気孔のない状態にすべきであり、さらに実質的に気孔がなくかつ実質的に均一であるのが好ましい。好ましい実施態様では、皮膜は、ＢＮを含む層５０と、層５０の上にあるＢ（Ｓｉ）Ｎを含む層６０と、層６０の上にあるＳｉ３Ｎ４を含む層７０と、層７０の上にある炭素を含む層８０とを含む。ＢＮを含む層５０は、約０．２５μｍ〜約０．７５μｍの厚さであるのが好ましい。ＢＮを含む層５０は、約０．４μｍ〜約０．６μｍの厚さであるのがさらに好ましい。Ｂ（Ｓｉ）Ｎ皮膜は、参考文献として本明細書にその全体が組み入れられている、本発明の出願人と同一出願人の米国特許第５９５２１００号に詳細に記載されている。本発明では、Ｂ（Ｓｉ）Ｎ含有層６０内のシリコン重量パーセントの範囲は、約５重量％のシリコン〜約４０重量％のシリコンである。好ましい実施形態では、Ｂ（Ｓｉ）Ｎ含有層６０内のシリコン重量パーセントの範囲は、約５重量％のシリコン〜約２５重量％のシリコンである。さらに好ましい実施形態では、Ｂ（Ｓｉ）Ｎ含有層６０内のシリコン重量パーセントの範囲は、約１１重量％のシリコン〜約１９重量％のシリコンである。Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層６０は、約０．２５μｍ〜約０．７５μｍの厚さであるのが好ましい。Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層６０は、約０．４μｍ〜約０．６μｍの厚さであるのがさらに好ましい。Ｓｉ３Ｎ４を含む層７０は、約０．７５μｍの厚さ〜約１．２５μｍの厚さであるのが好ましい。層７０は、約０．９μｍの厚さ〜約１．１μｍの厚さであるのがさらに好ましい。炭素８０を含む層は、約０．０５μｍ〜約３μｍの厚さであるのが好ましい。層８０は、約０．１μｍ〜約０．２μｍの厚さであるのがさらに好ましい。層８０は、熱分解炭素として堆積されるのが好ましい。
【００２１】
皮膜の各層５０、６０、７０、８０は、異なる目的のためにかつ異なる機能を果たすために存在する。例えば、層５０内に純ＢＮを使用することにより、ＣＭＣの良好な繊維マトリックス耐剥離特性が得られるが、耐酸化／揮発性が不足する。純Ｂ（Ｓｉ）Ｎとするか又はそれに代えてＢＮとＳｉ３Ｎ４との混合物を含むことができる、Ｂ（Ｓｉ）Ｎを含む層は、ＢＮ単独よりも良好な耐酸化／揮発性をもたらしながら、依然として十分な耐剥離特性を維持しかつ最終高密度化工程時に下にある繊維及び皮膜を溶融シリコンから保護する。Ｓｉ３Ｎ４を含む層７０により、Ｂ（Ｓｉ）Ｎ層よりもさらに良好な耐酸化／揮発性が得られるが、耐剥離特性が不足する。しかしながら、ＢＮ含有層５０は皮膜のベース層であるので、ＳｉＣ繊維トウは、応力下において、依然として十分なマトリックスからの耐剥離性を有することができる。炭素含有トップ層８０はシリコンに対する濡れ性があり、その結果、炭素含有層が、少なくともシリコンでの浸透処理時に、被覆繊維トウ２とマトリックス材料４との間の良好な結合を作り出すＳｉＣを形成するように反応するようになる。従って、本発明の皮膜は、該皮膜に対して様々な望ましい特性の混成をもたらすような異なる層５０、６０、７０、８０を有するので、皮膜全体は、シリコン濡れ性があり、良好な耐剥離特性を有しかつ良好な耐酸化／揮発性を有するようなる。スラリー鋳造ＭＩでの場合のように、物品全体上に繊維皮膜を堆積させるのとは対照的にトウ上に繊維皮膜を堆積させることによりさらに、より高い繊維皮膜堆積温度が可能になり、皮膜における結晶化度の増大及び皮膜密度の増大によって、より熱的に安定した皮膜が得られる。
【００２２】
本明細書で用いる場合、「炭素」には、黒鉛、粒子、フレーク、ウィスカ、或いは非結晶質、単結晶又は多結晶炭素の繊維、炭化植物繊維、ランプブラック、微粉化石炭、木炭、並びにレーヨン、ポリアクリロニトリル及びポリアセチレンのような炭化ポリマー繊維又はフェルトを含む、元素炭素のあらゆる形態が含まれる。
皮膜の各層は、低温バッチ法ではなく比較的高温連続又は半連続法を用いて堆積される。例えば、好ましい実施態様では、皮膜の各層は、約１４００℃（２５５０°Ｆ）〜約１５００℃（２７３０°Ｆ）の範囲の温度で堆積される。皮膜の各層について、繊維トウが化学蒸着（ＣＶＤ）反応装置を通して引張られ、ＳｉＣ繊維トウがＣＶＤ反応装置を通過するとき、皮膜の各層が各ＳｉＣ繊維トウ上に個別に連続的に堆積される。例示的なＣＶＤ法は、参考文献として本明細書に組み入れられている、特願２００５−２７９２６８号に開示されかつ記載されている。各皮膜層の滞留時間は、約４０秒〜約６０秒の範囲内であるのが好ましい。この好ましい実施態様では、約２．５時間でトウの約１２５ｍを被覆することができる。被覆処理は、１つの層が堆積された後に直ちに別の層が堆積されるように完全に連続的とすることができ、トウは、ＣＶＤ反応装置の１つのセクションからＣＶＤ反応装置の第２のセクションへと通過し、又はそれに代えて半連続操作の場合には同一セクションを通過して戻るようになる。被覆処理は、トウがリールから巻き戻され、各層用のＣＶＤ反応装置を通り、次に別のリール上に置かれるように引張られて、次の皮膜層用の同一又は異なるＣＶＤ反応装置通って移動して戻されるように、段階的に連続的なものとすることができる。各個々のトウ、より具体的には各トウ内部の各個々の繊維は、従来技術のスラリー鋳造ＭＩ法におけるようにクロスを組立てた後に被覆するのではなく、トウを移動させることによって本発明の４つの層皮膜で被覆されるので、各トウへの皮膜は、より均一である。この均一性により、例えばトウ内部の「キャンド（ｃａｎｎｅｄ）」気孔（トウ内気孔）の発生、並びにプライ内部及びプライ間の特に０．２０インチを超える部分厚さのような不均一性の発生などの、物品全体を被覆する場合に固有の多くの問題が回避される。
【００２３】
プロセスの次の段階２３０は、段階２２０で形成した被覆繊維トウを段階２１０で準備した非被覆トウと組立てる段階である。被覆トウ及び非被覆トウは、ハイブリッドプライ又はクロス或いはプリプレグテープのような二次元（「２Ｄ」）組立体に、若しくは三次元（「３Ｄ」）組立体の形態に組立てることができる。このような組立は、それに限定されないが、織ること、編むこと及び／又は巻くことを含む当技術分野で公知の任意の方法を用いて実行することができる。セラミッククロスの各プライは、該プライが組立てられることになる物品の層の寸法及び形状を持たなければならない。このような形状及び寸法にすることは、例えば大型片のセラミッククロスプライを織り、次いでそのプライを所望の寸法及び形状に切断することのような当技術分野で公知の任意の方法で実行することができる。被覆繊維トウ２及び非被覆繊維トウ６は、プリプレグＭＩ法の一方向プライに限定されないがクロスに織るのに十分な弾力性がある。各プライは、完全に被覆トウで構成することができ、或いは完全に非被覆トウで構成することができる。
【００２４】
非被覆トウが、段階２００で特定した予測高層間応力の領域２０内に配置され、また被覆トウが低応力の領域１８内に配置されるのが好ましい。被覆トウ２及び非被覆トウ６が、高応力の領域２０内に配置されるのがなお一層好ましい。理解されるように、非被覆繊維トウ６は、ＣＭＣ内部の繊維とマトリックス４との間の強力な結合を可能にするが、被覆繊維トウ２は、繊維とマトリックス４との間のより脆弱な結合をもたらす。本明細書でさらに説明するように、被覆トウ２に隣接する非被覆トウ６の配向は、任意の予め選択した角度だけオフセットさせることができるが、互いに平行又は垂直であるのが好ましい。
【００２５】
段階２３０の組立の別の実施形態として、被覆繊維トウ２及び非被覆繊維トウ６を織ってハイブリッドプライ又はハイブリッドクロスを形成することができ、より高応力の領域２０内にこのようなハイブリッドプライを設置することができる。ハイブリッドプライ又はクロスを製造するように織る１つの公知の方法は、繊維又はトウを隣接する選択した繊維又はトウから例えば約９０℃のような予め選択したオフセット角度で配向する段階を含む。得られたハイブリッドプライ又はクロスは次に、積層され、単独で或いは被覆繊維トウ２又は非被覆繊維トウ６若しくはプライと組み合わせて組立てて、所望の物品成形体を形成することができる。
【００２６】
本発明の次の段階２４０は、セラミック微粒子、セラミック前駆体樹脂及びそれらの組み合わせからなるグループから選択された材料を用いて、物品成形体を高密度化する段階である。セラミック微粒子及びセラミック前駆体樹脂は両方とも、当技術分野では公知である。当技術分野で公知の任意の機能的なマトリックス高密度化方法を、段階２４０で用いることができ、それら方法には、それに限定されないが、スラリー鋳造法、樹脂トランスファー成形法、真空含浸法及びそれらの組み合わせが含まれる。
【００２７】
本発明のプロセスの最終段階２５０は、高密度化した物品成形体を少なくともシリコンで浸透処理して、物品の高密度化を完了するように炭化ケイ素ＣＭＣ物品を形成する段階である。物品成形体は、ボロンドープのシリコンで浸透処理するのが好ましい。物品成形体は、重量で５％のボロンドープのシリコンで浸透処理するのがさらに好ましい。
【００２８】
セラミッククロスを物品成形体に積み重ねる前にトウが既に被覆されているので、均一のＣＭＣ物品は、約０．２インチよりもかなり厚くなっており、本発明の方法を用いて、最大約１インチの厚さを作ることができる。本発明の方法を用いて約１インチよりも大きい厚さを有する物品を製造することができるが、物品の厚さが約１インチを超えて厚くなると高密度化が一層困難になる。
【００２９】
本発明をタービンエンジンブレードに関して説明してきたが、本明細書の教示から恩恵を得ることになる他の構成部品も、本明細書で開示したように製作することができることが分かるであろう。従来型のＣＭＣ内部に非被覆繊維を配置することにより、被覆セラミック繊維と関連する低層間特性によって生じる割れを阻止することができることもまた分かるであろう。本明細書で説明した方法は、高層間応力の特定の領域においてプリフォーム内部に非被覆繊維を配置することに関するが、これらの領域は、温度及び負荷のような作動条件が変わるにつれて変化することになる。非被覆繊維配置の最適化は、高層間応力の異なる領域を特定する複合分析を実行することと、特定した領域内に非被覆又はハイブリッドクロスを配置することとを含むことができる。
【００３０】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適合させるように多くの変更を加えることができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】航空機エンジン内の例示的なＬＰＴブレードの側面斜視図。
【図２】エンジン作動によって引き起こされた層間応力により生じる例示的な割れの伝播を示す、均一被覆繊維トウを有する従来技術のＣＭＣ航空機エンジン構成部品の断面図。
【図３】本発明による、エンジン作動に起因する層間応力により生じる例示的な割れの伝播を示す、非被覆繊維トウと混ざり合った被覆繊維トウを有する本発明のＣＭＣ航空機エンジン構成部品の断面図。
【図４】本発明によりＣＭＣタービンブレードを製造する本発明の製造方法を示すフローチャート。
【図５】本発明による被覆繊維トウの断面図。
【符号の説明】
【００３２】
２  被覆繊維トウ
４  間質セラミックマトリックス
６  非被覆繊維トウ
１０  航空機エンジンＬＰＴブレード
１２  翼形部
１４  ダブテール
１６  フィレット半径
１８  低層間応力領域
２０  高層間応力領域
【図１】
2006189029.tif 000003
【図２】
2006189029.tif 000004
【図３】
2006189029.tif 000005
【図４】
2006189029.tif 000006
【図５】
2006189029.tif 000007